[0001] 本发明涉及一种水基悬浮液以及包含所述水基悬浮液的切削液，尤其涉及一种包含水、六方晶氮化硼(hBN)颗粒以及分散剂，六方晶氮化硼(hBN)颗粒均匀分散且在一定时间内维持胶体状态，从而可以呈现出与水包油(O/W)乳液型的现有的水溶性切削液相比优秀的切削能力，还可以赋予多种领域的加工所需要的冷却以及润滑功能的基于六方晶氮化硼颗粒的水基悬浮液以及利用水追加稀释之后使用的切削液。

[0002] 使用切削液(cutting fluid)的目的在于，通过在加工工程中作用于工具与被切削材料之间的彼此的加工面上而赋予冷却以及润滑功能，从而提升被切削材料的表面加工精密度并延长工具的使用寿命。

[0003] 如上所述的切削液大体上分为油基的非水溶性切削液以及稀释到水中使用的水溶性切削液。其中，非水溶性切削液因为其融化性能优秀而在精密加工中使用，但是因为油的沸点较低而很容易导致火灾，而且因为其冷却性能较差而难以适用于坚固的金属(如T i、N i以及SUS等)。与此相比，水溶性切削液的冷却性能优秀，但是因为与非水溶性切削液相比其润滑性能较差而难以适用于非铁金属的精密加工。

[0004] 此外，现有的油基的非水溶性切削液乃至于水溶性切削液主要是使用石油类以及酯类植物油进行制造并利用水进行稀释之后使用，因此在对切削液进行再利用的过程中会出现因为微生物的增殖而发生腐败的问题，而且经常会因为发出难闻的气味而导致作业人员感到不适或作业环境变差的问题，进而因为水溶性切削液中所包含的油而具有难以进行废水处理的问题，而且非水溶性切削液还会因为采用焚毁的方式进行处理而具有产生二氧化碳等问题。

[0005] 此外，在专利文献1(韩国注册专利第10‑0665790号)中公开了一种因为考虑到如上所述的对环境的影响而在强调其环保性的同时作为基础油使用植物油的记数，但是这仍然属于油基的水溶性切削液，因此如上所述的问题仍然存在。此外，在专利文献2(韩国注册专利第10‑2053046号)以及专利文献3(韩国注册专利第10‑2146032号)中公开了一种不使用油而是使用碱性电解离子水的环保水溶性切削液记数，但是其金属加工性与现有的水包油(O/W)乳液型的水溶性切削液相比大幅下降，因此在作为水溶性切削液使用时会受到诸多限制。

[0006] 因此，需要一种可以同时满足飞水溶性切削液的润滑性能以及水溶性切削液的冷却性能、通过不使用油而实现碳中和、尽可能地减少切削液使用量的清洁加工以及不产生或显著减少废水以及废油产生的资源循环方式的切削液。

[0036] 接下来，将参阅例示对可以实施本发明的特定实施例进行详细的说明。通过对这些实施例的说明，相关从业人员可以充分实施本发明。需要理解的是，本发明的多个实施例互不相同，但并不是彼此排他性的关系。例如，在本文中记载的与一实施例相关特定形状、结构以及特性，可以在不脱离本发明之技术思想以及范围的情况下通过其他实施例实现。因此，后续的详细说明并不是限定性的目的，具体来讲，本发明的范围只应该通过所附的权利要求根据权利要求中的主张及其均等范围做出限定。

[0037] 根据本发明之一实施例的水基悬浮液包含水、六方晶氮化硼(hBN)可以以及分散剂。在如上所述的悬浮液中，最为重要的是使得所述六方晶氮化硼(hBN)颗粒以均匀的浓度长时间(1天以上)维持分散状态。

[0038] 六方晶氮化硼(hBN)颗粒的合成

[0039] 通常来讲，因为六方晶氮化硼(hBN)颗粒具有疏水性表面而难以在水中分散，会漂浮在水的表面或下沉到水面的下方，即，在水中的分散性较差，从而难以直接使用通过现有的制造方法制造出来的颗粒。

[0040] 因此，在本发明中并不是采用一般的使用固态的硼前驱体以及氮前驱体即在氮以及氩等惰性气体环境下通过热处理炉合成的方式，而是使用在不对其气体环境进行控制的空气环境下通过热处理炉合成的六方晶氮化硼(hBN)颗粒即在水中具有高分散性的亲水性六方晶氮化硼(hBN)颗粒为宜。此时，据判断其亲水性是因为颗粒表面的原子单位缺陷、悬挂键、水分子的分解以及因此而产生的羟基而呈现。

[0041] 具体来讲，在将硼前驱体以及氮前驱体以硼:氮为1:1的摩尔比进行混合之后，在不对其气体环境进行控制的空气环境下，以1600℃以下的温度，例如1500℃的温度进行3小时的合成。通过对其进行洗涤以及提纯而获得粉末。

[0042] 图1是对六方晶氮化硼(hBN)初级颗粒的大小进行图示的电子显微镜照片，初级颗粒的大小是指通过电子扫描显微镜观察到的单晶颗粒的大小。

[0043] 图2是六方晶氮化硼(hBN)次级颗粒的大小分布。是向合成后粉末施加超声波(600W，35kHz输出)之后测定的结果以及利用高压均质机进行加工的实际悬浮液进行测定的结果。其中，次级颗粒的大小是利用基于激光衍射法的力度分析仪进行测定，是初级颗粒(单晶颗粒)的大小或由两个以上的初级颗粒凝聚而成的凝聚颗粒的大小。D 10、D50以及D90为粒度分析仪测定结果，是表示出次级颗粒的大小分布的因子。

[0044] 所述六方晶氮化硼(hBN)可以以初级颗粒以及次级颗粒以D50为基准具有30～100nm，较佳地具有30～500nm，更较佳地具有30～250nm的颗粒范围，且以D90为基准具有
1um以下的颗粒大小。比表面积在考虑到其纵横比(3～10)的情况下具有10～90m2/g的范围。

[0045] 这是因为在使用以D50为基准的30nm以下的六方晶氮化硼(hBN)粉末时，会因为其颗粒的形状将接近于球形而导致其加工面剪切方向与s p2结合面不平行，从而难以在金属加工时实现优秀的润滑性能，而在使用1000nm以上的粉末时，会因为发生重力所导致的沉淀现象而导致水基悬浮液以及包含所述水基悬浮液的金属加工切削液内的六方晶氮化硼(hBN)颗粒的分散性变差的问题，而且因为难以在加工过程中对六方晶氮化硼(hBN)颗粒的浓度进行控制而难以作为切削液使用。

[0046] 通常来讲，通过气体吸附法对六方晶氮化硼(hBN)颗粒的比表面积进行测定，而之所以限定如上所述的范围，是因为其与偏离球形的纵横比(扁平程度，3～10)相关，因此初级颗粒的大小以及纵横比具有如上所述的比表面积相关关系为宜。

[0047] 水基悬浮液的制造

[0048] 在将通过如上所述的工程制造出来的六方晶氮化硼(hBN)粉末在没有分散剂的情况下投入到水中时，即使是在利用高剪切力搅拌器进行6小时以上的长时间搅拌的情况下也会发生在24小时以内下沉的沉淀现象，因此难以稳定地对六方晶氮化硼(hBN)的浓度进行管理。因此，需要以与所述水相比10以下的重量份(分散剂的固态成分重量)使用适当的分散剂，从而制造出在保管1天以上时也可以保证90％以上的六方晶氮化硼(hBN)颗粒不会发生沉淀，而是以漂浮的交替状态存在的水基悬浮液。

[0049] 所述分散剂为阴离子分散剂为宜，但是也可以单独或组合使用阴离子、阳离子、双离子、非离子、低分子或高分子分散剂，并不限定于此。

[0050] 根据本发明之一实施例的水基悬浮液包含阴离子分散剂，六方晶氮化硼(hBN)粉末以100的水为基准包含10重量比以下，而分散剂通常可以相对于100的水添加10(分散剂的固态成分重量)重量比以下(与水的体积相比10g/L以下)使用。所述分散剂的含量可以在考虑稀释到水中的比例以及六方晶氮化硼(hBN)颗粒的含量的情况下进行适当的选择。

[0051] 如上所述，在根据本发明之一实施例的水基悬浮液中，六方晶氮化硼(hBN)粉末的含量可以是以100的水为基准的10重量比以下，较佳地可以是1重量比以下，而且相对于100的水使用10(分散剂的固态成分重量)重量比以下(与水的体积相比10g/L以下)的适当的分散剂为宜。其中，六方晶氮化硼(hBN)粉末的含量可以根据工具的材质、工具的形态、被切削材料的材质、加工方式、供应方式以及适用领域等加工环境发生变化，且所述水基悬浮液可以具有0.1重量比以下的较低的浓度。

[0052] 在六方晶氮化硼(hBN)颗粒的含量超出10重量比的情况下，会导致无法长时间维持分散性而加速发生沉淀的问题，而在分散剂的添加量相对于100的水超过10(分散剂的固态成分重量)重量比(与水的体积相比100g/L)的情况下，会导致在加工之后作为异物残留在被切削材料中的问题。

[0053] 在根据本发明之一实施例的水基悬浮液中使用的水，可以从蒸馏水、去离子水、自来水、地下水以及工业用水中适当地选择一个以上使用。此外，所述水为pH 10以上的碱性离子水，可以包含通过水的电解制造出来的具有羟基的电解离子水。

[0054] 具体来讲，在分别投入适当量的在上述内容中进行说明的水、六方晶氮化硼(hBN)颗粒以及分散剂并混合之后，通过在高压均质机中的均质化作业等进行分散处理，从而制造出水基悬浮液为宜。

[0055] 此外，根据本发明之一实施例的水基悬浮液还可以包含从由防锈剂、消泡剂、防冻剂以及防腐剂构成的组中选择的一个以上。如上所述的各个成分的混合比例以及投入量可以根据如加工环境以及适用领域、在制造切削液时所使用的水的稀释量等进行适当的选择。

[0056] 首先，为了防止被切削材料金属加工件发生如生锈等腐蚀现象而添加的防锈剂并不受到特殊的限定，可以组合使用1种或2种以上。例如，可以通过将胺类、有机类、无机类以及有色金属类防锈剂混合到蒸馏水、去离子水以及水中而制作成防锈液进行使用。包含于所述防锈液的防锈剂中，作为胺类使用从由二乙胺、三乙胺、环己胺、乙醇胺、单乙醇胺、三乙醇胺、丙醇胺、单丙醇胺以及异丙醇胺构成的组中选择的1种以上为宜。包含于所述防锈液的防锈剂中，有机类为羧酸，而作为所述羧酸使用从由癸二酸、十一烷二酸以及十二烷二酸构成的组中选择的1种以上为宜。包含于所述防锈液的防锈剂中，有色金属防锈剂可以是苯并三唑、甲基苯并三唑以及巯基苯并三唑。

[0057] 为了对在所述水基悬浮液的制造过程以及使用包含所述水基悬浮液的切削液的切削加工过程中产生的泡沫进行抑制，可以进一步添加消泡剂。作为消泡剂，可以单独或混合2种以上的如聚二甲基硅氧烷、改性聚二甲基硅氧烷、有机硅衍生物、有机硅类乙氧基化物盐以及二氧化硅等有机硅类消泡剂进行使用。

[0058] 在在多次切削过程中使用所述水基悬浮液以及包含所述水基悬浮液的切削液时，会发生微生物的增殖并因此导致恶臭，因此作为尤其是在夏季为了预防如上所述的现象而进一步添加的防腐剂，可以使用如苯甲酸钠、苯并异噻唑啉酮(BIT，Benzisothiazolinone)类化合物、三嗪(Triazine)化合物、苯并三唑(Benzotriazole)化合物以及甲苯基三唑(Tolyltriazole)化合物等。

[0059] 为了在冬季0度以下的温度条件下使用所述水基悬浮液以及包含所述水基悬浮液的切削液，可以进一步添加防冻剂。防冻剂可以包含从丙二醇(Propylene Glycol)或乙二醇(Ethylene Glycol)中选择的一个以上的成分。

[0060] 此外，根据本发明之一实施例的水基悬浮液还可以包含从由Al2O3、MoS2、SiO2、ZrO2、CuO、SiC、TiO2以及金刚石粉末构成的组中选择的一个以上。所述成分具有以次级颗粒D50为基准的1um以下的大小为宜。此外，还可以包含从由碳纳米管(CNT)以及石墨烯构成的组中选择的一个以上。这些追加成分的作用在于进一步完善因为六方晶氮化硼(hBN)颗粒固有的特性而产生的润滑机制。

[0061] 切削液的制造

[0062] 根据本发明之一实施例的切削液，通过将在上述内容中进行说明的水基悬浮液根据使用环境或加工目的使用适当比例的水稀释的方式进行制造。稀释时所使用的水量通常来讲为水基悬浮液的10～20倍，但是可以根据工具的材质、工具的形态、被切削材料的材质、加工方式、供应方式以及适用领域等加工环境增加或减少。

[0063] 此外，所述切削液还可以根据使用环境或地区等条件进一步包含从由碱性电解水、防锈剂、消泡剂、防冻剂以及防腐剂构成的组中选择的一个以上。具体来讲，所述切削液可以以水或碱性电解水34重量比以上、水基悬浮液10重量比以下、防锈液20重量比以下、防冻剂25重量比以下、消泡剂1重量比以下以及防腐剂10重量比以下的混合比调整混合而进行制造。

[0064] 切削性能试验

[0065] 为了对根据本发明之一实施例的切削液的切削性能进行确认，准备如下所述的实施例以及比较例进行了测试。

[0066] 首先，为了在实施例以及比较例中使用，在将硼前驱体以及氮前驱体以硼:氮为1:1的摩尔比进行混合之后，在不对其气体环境进行控制的空气环境下，以1500℃的温度进行
3小时的合成，接下来通过对其进行洗涤以及提纯而获得粉末。

[0067] (实施例1)

[0068] 在混合10L的水、200g的通过如上所述的过程准备的六方晶氮化硼(hBN)粉末以及100g的分散剂Aerosol OT‑100 100g之后，将通过在高压均质机中以大约7000psi左右的低压低压循环以及0.1L/分钟的速度进行5次并以大约15000psi左右的高压循环进行2次的方式进行分散加工而制造出来的水基悬浮液分离出15g并稀释到3L的自来水中，从而制造出切削液。将其投入到微量润滑(MQL)供应机中并喷射到加工部位。

[0069] (实施例2)

[0070] 在混合10L的水、200g的通过如上所述的过程准备的六方晶氮化硼(hBN)粉末以及100g的分散剂Aerosol OT‑100 100g之后，将通过在高压均质机中以大约7000psi左右的低压低压循环以及0.1L/分钟的速度进行5次并以大约15000psi左右的高压循环进行2次的方式进行分散加工而制造出来的水基悬浮液分离出45g并稀释到3L的自来水中，从而制造出切削液。将其投入到微量润滑(MQL)供应机中并喷射到加工部位。

[0071] (实施例3)

[0072] 在混合10L的水、200g的通过如上所述的过程准备的六方晶氮化硼(hBN)粉末以及100g的分散剂Aerosol OT‑100 100g之后，将通过在高压均质机中以大约7000psi左右的低压低压循环以及0.1L/分钟的速度进行5次并以大约15000psi左右的高压循环进行2次的方式进行分散加工而制造出来的水基悬浮液分离出15g并稀释到300g的碱性电解水(pH11)以及3L的自来水中，从而制造出切削液。其中，单独投入碱性电解水的原因在于为了通过提升pH而赋予水基杀菌以及清洁效果。将其投入到微量润滑(MQL)供应机中并喷射到加工部位。

[0073] (比较例1)碱性电解水

[0074] 在不添加任何添加剂的情况下制造出3L的pH11的碱性电解水并作为切削液。

[0075] (比较例2)只由水以及六方晶氮化硼(hBN)颗粒构成的水溶液

[0076] 在混合10L的蒸馏水、200g的通过如上所述的过程准备的六方晶氮化硼(hBN)粉末之后，按照与如上所述的实施例相同的方式在高压均质机中以大约7000psi左右的低压低压循环以及0.1L/分钟的速度进行5次并以大约15000psi左右的高压循环进行2次的方式进行分散加工而制造出水基悬浮液。但是在经过24小时之后，因为50％以上的大部分六方晶氮化硼(hBN)发生沉淀而没有制造出所需要的切削液。

[0077] (比较例3)将水包油(O/W)乳液型的水溶性切削液以微量润滑(MQL)供应方式进行雾化喷射

[0078] 通过将300g的市售的水包油(O/W)乳液型的水溶性切削液OLEX CUT 7500FE稀释到3L的自来水中而制造出切削液，接下来将其将其投入到微量润滑(MQL)供应机中并喷射到加工部位。

[0079] (比较例4)将水包油(O/W)乳液型的水溶性切削液以溢流(Flooding)供应方式进行液态喷射

[0080] 通过将5L的市售的水包油(O/W)乳液型的水溶性切削液OLEX CUT 7500FE稀释到10倍的自来水中而制造出切削液，接下来将其将其投入到溢流(Flooding)低压泵供应机中并喷射到加工部位。

[0081] 在如上所述的制造方法中进行说明的六方晶氮化硼(hBN)的颗粒大小分布以及在各个实施例和比较例中的分散性如下述表1所示。

[0082] 各个实施例中的六方晶氮化硼(hBN)颗粒在1天之后仍然维持了胶体状态，但是在相同条件下没有使用分散剂的比较例2在经过24小时之后有50％以上的六方晶氮化硼(hBN)发生了沉淀，从而无法作为切削液使用，因此没有进行接下来的切削性能测试。

[0083] 【表1】

[0084]

[0085] 使用除比较例2之外的剩余的切削液按照如下所述的方式进行了切削能力测试。在切削性能试验过程中，作为铣削工作机械使用Doosan NX6500II加工中心，作为被切削材料金属工件使用SUS304100x100x70(mm3)，而作为工具使用YG110Φ4刃立铣刀。立铣刀的工具磨损度利用Keyence VHX5000进行测定，而被切削材料加工面的表面粗糙度则利用三丰公司的SJ201进行测定。作为切削液雾化微量润滑(MQL)供应机，使用WINMIST装置按照
400cc/小时的速度向加工部位进行喷射，而作为溢流(Flooding)供应机，使用一般低压泵向加工部位进行喷射。铣削工程的条件按照如下述表2所示的方式进行设定。

[0086] 【表2】

[0087] 项目 条件 项目 条件切削速度(m/分钟) 100 rpm 3,185
移送速度(mm/分钟) 1,147 每齿移送量(mm/齿) 0.09
Z轴切入量(mm) 5.0 Y轴切入量(mm) 1.0

[0088] 对被切削材料进行侧面铣削加工，并以单次走刀(pass)(10m)单位对立铣刀后刀面的3处磨损位置进行测定之后记录最大值。作为切削加工的结束标准，将立铣刀后刀面磨损0.2mm以上或到达加工距离80m(8次走刀)时结束。

[0089] 图3是对用于测定将SUS304作为被切削材料时的工具磨损量以及表面粗糙度的被切削材料加工方式进行图示的照片，图4作为切削加工照片，分别对微量润滑(MQL)气溶胶雾化喷射(左侧)以及溢流(Flooding)液态喷射(右侧)进行了图示，图5是对立铣刀工具的后刀面磨损量测定方式进行图示的照片，而图6是表面粗糙度测定照片。

[0090] 接下来，将对切削加工过程中的切削液的供应方式进行详细的说明。在比较例1、比较例3以及实施例所使用的微量润滑(MQL，Minimal Quantity Lubrication)供应方式中，将所制造出来的各个切削液投入到相同的微量润滑(MQL)装置中并在雾化成气溶胶之后向切削加工部位进行喷射。此外，在比较例4所使用的溢流(Flooding)喷射方式中，利用低压泵通过溢流(Flooding)供应方式以液态向切削加工部位进行喷射。

[0091] 如上所述的切削性能测试结果，在如比较例1所示的仅使用碱性电解水作为切削液使用时，难以对被切削材料金属工件进行切削加工，而且因为工具磨损度严重而在切削早期就中断了加工。可以判断出没有润滑功能而只通过冷却功能难以顺利完成切削加工。

[0092] 在使用市售的水包油(O/W)乳液型水溶性切削液的比较例3中，加工过程中产生烟雾并散发出类似于油烧焦的气味。借此可以确认，油基切削液难以适用于微量润滑(MQL)喷射方式。

[0093] 图7是对立铣刀后刀面工具磨损度测定结果进行图示的图表，而图8是对SUS405被切削材料工件表面粗糙度测定结果进行图示的图表。

[0094] 通过图7可以确认，在实施例1、实施例2以及实施例3中直至第7次走刀(pass)(70m)为止并没有发生急剧的工具磨损，而且呈现出了稳定的性能，但是比较例3以及比较例4在第6次走刀(pass)(60m)之前发生了工具磨损度的急剧增加。这表明根据本发明之一实施例的基于六方晶氮化硼(hBN)的切削液具有优秀的工具磨损度降低效果。在与100的水相比的六方晶氮化硼(hBN)颗粒为0.1重量比以下的低浓度条件下，与现有的水包油(O/W)乳液型水溶性切削液的微量润滑(MQL)雾化(比较例3)以及溢流(Flooding)液态喷射(比较例4)供应方式无关，呈现出了相对优秀的切削能力。即，由水、六方晶氮化硼(hBN)以及分散剂构成的水基悬浮液与现有的水包油(O/W)乳液型水溶性切削液相比，可以作为性能更加优秀的金属加工切削液使用。

[0095] 在图8中对比较例3、比较例4以及实施例1、实施例2、实施例3中的切削加工结束之后的表面粗糙度测定结果进行了图示。在实施例中呈现出了不足0.3um的表面粗糙度，但是比较例则呈现出了0.4um以上的相对偏高30％以上的表面粗糙度。借此可以证明根据本发明至实施例的六方晶氮化硼(hBN)水基悬浮液具有优秀的加工精密度改善效果，在与100的水相比的六方晶氮化硼(hBN)颗粒为0.1重量比以下的低浓度条件下，与现有的水包油(O/W)乳液型水溶性切削液的微量润滑(MQL)雾化(比较例3)以及溢流(Flooding)液态喷射(比较例4)供应方式无关，呈现出了优秀的加工精密度。即，由水、六方晶氮化硼(hBN)以及分散剂构成的水基悬浮液与水包油(O/W)乳液型水溶性切削液相比，可以作为性能更加优秀的金属加工切削液使用。总而言之，利用水对由水、六方晶氮化硼(hBN)颗粒以及分散剂构成的水基悬浮液进行稀释的水溶液与水包油(O/W)乳液型的现有的水溶性切削液相比，呈现出了优秀的切削能力(被切削材料的加工精密度以及工具的磨损度)。

[0096] 此外，通过追加试验可以确认，通过进一步投入碱性电解水、金属防锈剂、防冻剂、消泡剂以及防腐剂中的一个以上，不仅可以改善被切削材料金属工件的表面粗糙度并改善工具磨损度，还可以满足如防锈、防冻、抑制泡沫以及杀菌效果。这表明因为为了进行金属加工而没有包含油成分，可以在确保环保的同时尤其适用于微量润滑加工。

[0097] 工业实用性

[0098] 根据本发明之一实施例的水基悬浮液并不限定于作为如上所述的金属加工用切削液使用，还可以作为对由如塑料等其他材料构成的被切削材料工件进行加工的目的使用。此外，通过六方晶氮化硼(hBN)固有的优秀的润滑功能、高热传导度以及非典型性，可以在发生多种形态的摩擦以及磨损的机械装置中作为润滑剂使用。